地铁隧道相交地裂缝的破坏特征及结构抗裂设计

本文介绍西安市地铁一号线劳动路站～玉祥门站区间浅埋暗挖黄土隧道穿越f3地裂缝段施工方法及采取的措施,隧道f3地裂缝段施工中采用了超前降水、超前小导管注浆固结地层、监控量测以及台阶法与crd法转换技术,成功地解决了浅埋暗挖黄土区间隧道穿越f3地裂缝的施工技术难题。

以西安地铁1号线斜交穿越地裂缝带为工程背景,通过地裂缝活动的大型物理模型试验和有限元数值模拟,对西安地裂缝活动的影响范围和西安地铁1号线隧道穿越地裂缝带的纵向设防长度进行研究。结果表明:地裂缝活动时引起其上盘地层中出现应力降低和下盘地层中出现应力增强现象,且在垂直于地裂缝走向上其两侧地层中应力变化大致呈现出反对称分布特征。隧道设计埋深处地裂缝活动的影响区宽度为30m,即上盘17.5m,下盘12.5m;考虑安全系数时地铁隧道穿越地裂缝带的设防宽度为55m,即上盘35m,下盘20m。根据地铁隧道与地裂缝带的斜交夹角,确定地铁区间隧道不同夹角斜交穿越地裂缝带的纵向设防长度。研究结果对西安地铁1号线区间隧道斜穿地裂缝带的结构处理及设计具有一定参考价值。

西安地裂缝是一种独特的城市地质灾害,其活动对地铁建设造成严重威胁,西安地铁建设的关键是如何解决地铁隧道穿越地裂缝带的问题。以西安地铁穿越地裂缝带为研究对象,在地裂缝基本特征分析和未来活动趋势预测的基础上,分析了地裂缝活动对地铁隧道的危害模式,从结构、防水、地基基础与变形监测等方面提出了如下防治措施:结构上应采用扩大断面、预留净空、分段设缝加柔性接头和局部衬砌加强等措施;防水方面宜采用可卸式管片拼装双层结构法和波纹板强化橡胶复合材料制成的防裂止水带处理;地基基础处理方面采用地基注浆加固法和弹性囊变形恢复法处理;建立隧道衬砌和轨道的变形监测预警方案;地铁线路走向应尽量与地裂缝正交或大角度相交,避免小角度相交;严格禁止在地铁沿线一定范围内开采地下水。研究成果可为西安地铁隧道穿越地裂缝带的施工、结构和防水设计以及隧道病害监测与防治提供重要参考。

自从20世纪50年代以来，由于自然和人为因素的影响，乌鲁木齐地区出现了大量地裂缝，危害十分严重，其未来活动对在建的地铁构成重大安全隐患。因此，地铁隧道穿越地裂缝的问题成为了一个全新的重大工程难题，近年来引起了学术界和工程界的高度关注。所以在施工中应采用针对性的技术措施来消除地裂缝的负面影响而提高隧道的安全性。本文就以乌鲁木齐地铁一号线为例，阐述了地裂缝对地铁隧道施工的影响，以及病害防治措施。

汾渭盆地是国内地裂缝发育最强烈的地区。西安地处汾渭盆地,已经出露地表和隐伏的地裂缝共发现15条。在综合已有的认识基础上,深化了西安地裂缝成因的认识。通过西安地裂缝的活动现状及其发展趋势分析,针对西安各地裂缝的分布、活动状态和已有监测结果,给出了地裂缝带的最大地表宽度和地铁设防长度;针对地裂缝活动对衬砌结构的影响及破坏作用,从适应地裂缝变形、预防衬砌结构破坏和道床变形调控等方面,探讨了地基处理措施、结构加强措施、道床结构措施,阐述了西安地铁2号线通过地裂缝时地铁隧道建设的应对措施。目前,确立的\"放\"与\"防\"的设计指导思想是西安地铁隧道穿越地裂缝设计方案进一步完善和深入研究的基础。

通过对西安地铁隧道穿越地裂缝带的大型物理模型试验成果的分析,提出在地裂缝活动时,穿越地裂缝带的地铁隧道有以下两个方面的变化特征:一是作用于隧道的荷载发生改变;二是在隧道底部产生脱空现象。这种脱空现象无论在整体式隧道还是盾构隧道中都会出现。造成隧道在界面上与土体脱空的原因是隧道和周围地层的变形不协调。脱空区域的大小对地铁隧道的变形与内力计算会产生明显影响。在对隧道变形特征分析的基础上,总结得出了西安地铁穿越地裂缝带隧道变形的4种计算模型:对于整体式长隧道,可以采用一端固定而另一端简支,或一端固定而另一端定向支承的计算模型;对于整体式短隧道,可以采用外伸梁模型;对于盾构隧道,可以采用一端固定而另一端定向支承的计算模型。最后,对脱空条件下隧道数值分析的建模问题进行了讨论。算例分析表明:在数值计算中,对于隧道与土体接触面的界面处理非常关键,否则将造成计算结果的重大误差。

以西安地铁二号线穿越地裂缝的区间隧道为对象,通过几何相似比尺50:1的物理模型试验,开展了地裂缝活动条件下地铁隧道骑缝(变形缝与地裂缝一致)正交穿越地裂缝时衬砌结构与围岩相互作用机制的试验研究。结果表明,在地裂缝发生各级错动位移条件下,不同围岩应力场的围岩土压力、衬砌结构应力及其不均匀沉降位移变化规律相似;上下盘内的衬砌结构之间具有明显的错断位移,下盘内衬砌结构的沉降量越小,上盘内衬砌结构的沉降量越大,均呈渐变趋势;上盘内衬砌结构应力、围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而减小,下盘衬砌结构应力和围岩土压力随地裂缝错动位移的增加而增大,围岩土压力和衬砌结构应力的增量峰值均发生在地裂缝附近。模型试验研究研究结果对于分析地裂缝活动区间地铁隧道工程的运营及维护具有重要的理论与实际意义。

以西安地铁二号线穿越长安立交和f6地裂缝段为例,利用abaqus有限元软件对地铁穿越地裂缝施工对既有桥梁建立三维模型进行模拟分析,并将现场监测数据与数值模拟结果进行对比分析,得出以下结论:1)地铁穿越地裂缝施工对既有桥梁桥墩具有一定的影响,对第3排桥墩沉降影响明显;2)地裂缝在短期内对地铁隧道开挖的影响不明显,需对地裂缝处结构进行长期监测。同时,建立了地铁隧道与地裂缝相距不同水平距离的二维模型,通过分析给出了在西安地区临近地裂缝开挖地铁隧道的建议最小设防距离为3倍隧道直径。

研究地裂缝影响区内存在可弱化土体的不利因素情况下,西安黄土地区地铁隧道暗挖斜穿地裂缝施工所诱发的地表及隧道相关变形规律。通过flac3d模拟预测施工变形规律,并与实际监测数据进行对比分析,得到以下结论:(1)flac3d模拟表明,隧道暗挖施工穿越地裂缝时裂缝临近处收敛值会在初期出现短暂负收敛现象;(2)地表在地裂缝影响带的差异沉降发展集中在穿越前和穿越过程中,而拱顶上下盘差异沉降主要集中在穿越过程中;(3)当地裂缝影响带内存在可弱化土体强度的不利因素时,地表最终沉降的峰值点会向不利因素处移动;(4)拱顶最终沉降的峰值点基本在隧道轴线和裂缝的相交处,其受地表的土体弱化因素影响较小。

西安地处国内地裂缝发育最强烈的汾渭盆地,地裂缝的活动性会造成地铁隧道结构扭曲及衬砌面开裂并影响地铁的施工及安全运营,采用特殊材料制作几何相似比常数为1∶20的地裂缝与地铁隧道结构相互作用的隧道模型,通过对隧道模型结构应力监测数据与应力预测值进行对比分析揭示了地裂缝位错作用下隧道的变形破坏规律,并建立了地铁隧道结构应力的预测模型.试验结果表明:随着地裂缝位错量的增加,位于隧道结构上部的地裂缝上盘压力增加、下盘压力减小,位于隧道结构下部的上盘压力迅速减小、下盘压力持续增加;位于地裂缝下盘的隧道结构上部整体受拉而下部整体受压,位于地裂缝上盘的隧道结构上部先受压后受拉;位于地裂缝下盘的隧道结构沿纵向发生向下的弯曲变形致使其环向应变表现为拱底受压而拱顶和左右两拱腰均受拉的受力特点;指数平滑法对初始观测值的要求低且受异常值影响小可作为隧道结构应力预测的首选方法,当应力值达到预警值时进行报警采取适当的加固措施可保证地铁隧道的正常施工与安全运营.

文章以西安地铁临潼线穿越地裂缝和断裂带为研究背景,分析了西安地铁临潼线穿越的各条地裂缝及断裂带活动特征,确定了西安地铁临潼线设计使用期内(100a)地裂缝最大垂直位错量的预测值和设计值。根据地裂缝最大垂直位错量和地裂缝作用下地铁分段设缝隧道的三维空间位移关系,计算确定了西安地铁临潼线隧道穿越每条地裂缝带的结构抗裂三向预留位移量。基于近场及场区地震危险性分析,考虑到断裂带具有蠕滑和粘滑两种活动模式,利用经验公式估算得到了骊山山前断裂活动可能引起的地震最大地表位错量,确定了地铁临潼线隧道穿越骊山山前断裂带的结构断面扩大预留位移为500mm。研究结果可为西安地铁临潼线穿越地裂缝和活动断裂带的结构抗裂设计提供重要依据。

针对黄土地区西安地铁三号线下穿地裂缝,隧道设计、施工难度和风险极大。隧道区间施工采用浅埋暗挖法,设计了暗挖隧道初期支护参数及二衬参数,提出了暗挖隧道施工方案,对西安地铁下穿地裂缝施工具有一定的借鉴价值。

西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,地铁隧道穿越地裂缝带时必须分段设特殊变形缝。以西安地铁隧道正交穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比1:5的大比例尺模型试验,研究分段设缝柔性接头隧道穿越地裂缝带的适应性。试验结果表明:地裂缝活动环境下隧道设置特殊变形缝的柔性接头避免了衬砌结构应力集中,对结构起到保护作用,分段柔性接头隧道具有较强的适应地裂缝大变形的能力。设置与地裂缝倾角一致的斜变形缝对围岩压力与位移有一定影响,而对衬砌结构安全性影响较小。正交条件下斜变形缝能消耗20%以上的地裂缝位移量,在地裂缝影响区隧道可通过多段设变形缝串联的方式最大限度地消除地裂缝大变形对隧道的影响。接头处顶底部止水带基本完好,而两侧止水带因地裂缝垂直位移作用出现撕裂现象,防水设计应重点考虑接头两侧壁的防水。研究结果可为地裂缝活动环境下地铁隧道结构与防水设计提供重要参考。

以穿越地裂缝带的西安地铁2号线为研究背景,通过数值模拟对地裂缝作用下马蹄形地铁隧道与土体相互作用的机理进行了研究。研究结果表明:随着上、下盘位错量的增加,地裂缝处受影响的土体范围逐渐增大,土体的竖向位移也逐渐变大;上盘下降过程中,下盘隧道顶部沉降变形最大,上盘隧道顶部沉降变形最小;隧道的变形区域出现在预设地裂缝两侧,并且随着竖向位错的增大而增大,当错距d=100mm时,地裂缝处的隧道结构发生破坏。隧道的最大主应力位于结构出现裂缝和受剪切破坏的区域,随着位错量的增加,隧道的最大主应力变化剧烈。地裂缝处,隧道结构上部靠下盘区域受拉,靠上盘区域受压,隧道结构下部靠下盘区域受压,靠上盘区域受拉。在实际工程中,地铁隧道穿越地裂缝时,宜采用分段式隧道结构。

西安地铁隧道建设在地裂缝地层中。在地裂缝大位移错动条件下，必然引起隧道衬砌结构附加应力增大，变形缝错动位移显著，从而面临衬砌结构开裂和变形缝防渗失效等工程问题。开展地裂缝隧道适应大变形的防渗技术，对于维护地铁隧道的正常安全运行具有重要的实际意义

基于西安地裂缝成因、基本特征和未来活动趋势分析,通过几何缩比为1:5的地裂缝活动模型试验和地裂缝活动对盾构隧道影响的数值模拟计算,研究了西安地铁2号线隧道正交穿越地裂缝带的设防参数。通过分析地裂缝年平均活动速率和历史最大活动量,确定了与地铁2号线相交的各条地裂缝的最大垂直位移量的预测值和设计建议值。模型试验和数值模拟结果表明,正交条件下地铁隧道在地裂缝活动地段的设防宽度为60m,即上盘为35m,下盘为25m;沿隧道纵向地裂缝两侧地层变形规律呈现台阶状突变变形,隧道纵向设计可将上盘视为整体下降来考虑;地铁隧道穿越地裂缝带必须分段设缝以适应地裂缝的变形,其分段长度在地裂缝主影响区按10m进行设防,在一般影响区可按10～15m进行分段设防。研究结果可为地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计提供参考。

目的为西安地铁安全、可靠地通过地裂缝,研究主体结构及防水相关技术措施并加以应用。方法采用地铁隧道主体结构适应地裂缝错动变形的思路,以\"局部加强、预留净空、分段处理、柔性接头、先结构后防水\"为原则,制定相应技术措施。结果西安地铁隧道主体结构采用了在通过地裂缝段设置特殊变形缝以适应错动变形以及布设\"u\"型止水带防治地下水的技术措施。结论技术措施实现了西安地铁安全、可靠通过地裂缝的要求,可应用于西安地铁工程建设。

通过对西安地铁二号线沿线地裂缝成因机制、影响范围、最大错动量的分析，确定地裂缝段的隧道结构设防长度、高度和特殊防水措施，文中对隧道过地裂缝段的研究结论已经在二号线工程的设计施工中得到实施．

西安地铁隧道建设在地裂缝地层中。在地裂缝大位移错动条件下,必然引起隧道衬砌结构附加应力增大,变形缝错动位移显著,从而面临衬砌结构开裂和变形缝防渗失效等工程问题。开展地裂缝隧道适应大变形的防渗技术,对于维护地铁隧道的正常安全运行具有重要的实际意义。

地铁是人类利用地下空间的一种有效形式。地铁隧道结构裂缝是地铁运营及养护过程中常见的病害之一。结合武汉地铁既有线路的渗漏情况，系统分析了城市地铁隧道结构裂缝产生的原因，并对渗漏提出了相应的整治措施，有效控制了地铁隧道结构裂缝的发生和发展。解决隧道渗漏问题，确保结构安全运行，渗漏的整治方法将会得到更充分、更广泛的发展和应用，以期给其他相关工程提供参考和借鉴。

西安地铁建设中遇到的最大的地质灾害挑战就是地裂缝和地面沉降的问题,尤其是地裂缝地质灾害对地铁建设构成严重的威胁。区间隧道变形和地面沉降控制对于地铁工程而言至关重要,而西安地裂缝异于其它城市地质条件,是西安地区地铁隧道变形以及地面沉降的主要因素。文章针对西安地铁穿越地裂缝的工程特点,为了做好地铁穿越地裂缝带的结构设计,采用midas-gts软件对区间隧道穿越地裂缝进行了数值模拟分析,制定了跨地裂缝隧道结构处理方案和防水处理方案。结论对类似工程具有一定的借鉴意义。

对西安地铁2号线某站上、下行线隧道以及活塞风道中的风速和温度进行监测,分析冬季最冷月和夏季最热月列车行驶过程中隧道与活塞风道内气流的运动特性及其动态变化规律。研究结果表明:对于安装有屏蔽门的车站,列车活塞风对隧道空间和活塞风道环境影响巨大,活塞风大小主要受室外与地下温度差异、隧道结构、列车运行状况、行驶空气阻力、空气与壁面之间的摩擦及列车会车情况等因素影响。